CN107408668A - 具有改善的传导性的Li离子电池的电极 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及在Li离子型的二次锂电池中存储电能的领域。更准确地,本发明涉及用于Li离子电池的电极材料、其制造方法及其在Li离子电池中的用途。本发明还涉及使用所述电极材料制造的Li离子电池。
Description
技术领域
本发明总体上涉及在Li离子型的锂蓄电池中的电能存储的领域。更具体地,本发明涉及Li离子电池电极材料、其制备方法及其在Li离子电池中的用途。本发明的另一主题为通过引入该电极材料制造的Li离子电池。
背景技术
锂电池或锂离子蓄电池的单元电池包括:负极(在放电时),其通常由锂金属制成或基于碳;以及正极(同样在放电时),其通常由金属氧化物型的锂插入化合物例如LiMn2O4、LiCoO2或LiNiO2制成,在负极和正极之间插入传导锂离子的电解质。
正极或负极通常包括至少一个集流体,由如下组成的复合材料沉积于所述集流体上:一种或多种“活性”材料,活性是因为它们呈现相对于锂的电化学活性;一种或多种聚合物,其充当粘合剂并且通常是官能化的或非官能化的含氟聚合物如聚偏氟乙烯、或羧甲基纤维素型的水基聚合物或苯乙烯/丁二烯胶乳;加上一种或多种电子传导添加剂,其通常是碳的同素异形体形式。
在负极处的常规活性材料通常是锂金属、石墨、硅/碳复合物、硅、CFx型的氟化石墨(其中x在0和1之间)和LiTi5O12型的钛酸盐。
在正极处的常规活性材料通常是LiMO2型、LiMPO4型、Li2MPO3F型、Li2MSiO4型(其中M是Co、Ni、Mn、Fe或这些的组合)、LiMn2O4型或S8型。
最近,已使用了使得可改善电解质对电极芯的渗透性的添加剂。作为对于高能电池(即具有较高的电存储容量的电池)的增长的需求的结果,电极的厚度在增加并且因此电解质的渗透性在电池的总电阻中变得重要。出于改善该渗透性的目的,文献WO2005/011044描述了添加金属氧化物如Al2O3和SiO2的“无机”填料。在用于制造电极的常规方法期间添加这些无机填料。该常规方法在于,在溶剂或溶剂混合物(例如N-甲基吡咯烷酮、丙酮、水或碳酸亚乙酯)中混合不同成分:
1.至少一种传导添加剂,以范围1-5重量%、优选地1.5-4重量%或1-2.5重量%、优选地1.5-2.2重量%的含量,相对于复合材料的总重量;
2.作为能够可逆地与锂形成插入化合物的电极活性材料的锂氧化物、磷酸盐、含氟磷酸盐或硅酸盐,具有相对于Li/Li+对的高于2V的电化学电势(电位);
3.聚合物粘合剂。
将获得的墨随后涂覆在集流体上,并且通过在范围30-200℃加热蒸发溶剂。
这些无机填料的缺点为:它们降低电极中活性材料的量并且因此降低电池的容量,而且这些填料仅仅使得可改善电解质的宏观扩散。
事实上,在电极中,活性材料/电解质界面的充电电阻对于电池的性能是限制性的。该电阻是微观效应,其不能通过添加宏观无机填料而改善。
申请人已发现,添加由有机阴离子组成的盐(其被选择以在活性材料表面处具有有利的相互作用)使得可提高电极的离子传导性。
此外,已寻求通过聚合物粘合剂的特定选择的在电极对金属的内聚性质和粘附性质方面的改善。
发明内容
本发明涉及电极组合物,其特征在于同时存在能够在正极中以低含量确保良好的内聚性质和粘附性质的高性能含氟聚合物粘合剂与改善电极的离子传导性的特定有机盐。
本发明首先涉及有机盐在Li离子蓄电池的电极配制物中、优选地在正极配制物中作为离子传导性添加剂的用途。这些盐也可用在Na离子电池的电极配制物中。
本发明的另一主题是所述配制物作为电池电极的用途。
离子传导添加剂必须能够经受上述电极的制备方法的条件(情况)。例如,LiPF6(目前用在大部分电解质中的锂盐)由于其温度不稳定性和对亲核性溶剂的不稳定性而不能用作离子传导性添加剂。
本发明还涉及Li离子电池电极复合材料(组合材料)、优选地正极材料,其包括:
a)至少一种电子传导添加剂,以范围1-5重量%、优选地1.5-4重量%或1-2.5重量%、优选地1.5-2.2重量%的含量,相对于复合材料的总重量;
b)作为能够可逆地与锂形成插入化合物的电极活性材料的锂氧化物、磷酸盐、含氟磷酸盐或硅酸盐,具有相对于Li/Li+对的高于2V的电化学电势;
c)聚合物粘合剂;
d)至少一种式A和/或B的有机盐,
在式(A)中,-Xi-独立地表示以下基团或原子:–N=、-N--、-C(R)=、-C-(R)-、-O-、-S(=O)(R)=或-S(R)=且R表示选自以下的基团:F、CN、NO2、S-CN、N=C=S、-OCnHmFp、-CnHmFp,其中n、m和p为整数。特别优选的式(A)的化合物是下面表示的咪唑盐且有利地咪唑锂:
其中R表示F或-CnHmFp。这些锂盐由于其对水的不敏感性而为特别有利的,这使得可简化在电极制备方法中的使用。
在式(B)中,Rf表示F、CF3、CHF2、CH2F、C2HF4、C2H2F4、C2H3F2、C2F5、C3F6、C3H2F5、C3H4F3、C4F9、C4H2F7、C4H4F5、C5F11、C3F5OCF3、C2F4OCF3、C2H2F2OCF3或CF2OCF3并且Z表示选自F、CN、SO2Rf、CO2Rf或CORf的吸电子基团。
在以上通式中,M+表示锂阳离子、钠阳离子、季铵或咪唑优选地,M+表示锂阳离子或钠阳离子。
优选地,组分(d)可在0.01和10重量%之间且有利地在0.05和5重量%之间变化,相对于材料的总重量。
电子传导添加剂优选地选自碳的不同的同素异形体形式或导电有机聚合物。
特征性地,聚合物粘合剂选自高分子量的和/或其携带能够呈现(产生)对金属基底的粘附性以及构成电极的材料的良好内聚性的官能团的含氟聚合物粘合剂。
根据一种实施方式,所述粘合剂为高分子量的含氟聚合物、优选地非常高分子量的含氟聚合物。含氟聚合物选自偏二氟乙烯和氯三氟乙烯共聚物、以及聚(偏二氟乙烯)。
在这些当中优选在100s-1的剪切下在232℃下具有大于或等于2000Pa.s的熔融粘度的聚(偏二氟乙烯)或PVDF。根据标准ASTM D3825使用毛细管流变仪或平行板流变仪在100s-1的剪切梯度下在232℃下测量粘度。所述两种方法给出类似的结果。
此处使用的术语“PVDF”包括偏二氟乙烯(VDF)均聚物或者VDF和至少一种其它共聚单体的共聚物(其中VDF占至少50摩尔%)。可与VDF聚合的共聚单体选自:氟乙烯;三氟乙烯;氯三氟乙烯(CTFE);1,2-二氟乙烯;四氟乙烯(TFE);六氟丙烯(HFP);全氟(烷基乙烯基)醚如全氟(甲基乙烯基)醚(PMVE)、全氟(乙基乙烯基)醚(PEVE)或全氟(丙基乙烯基)醚(PPVE);全氟(1,3-二氧杂环戊烯);全氟(2,2-二甲基-1,3-二氧杂环戊烯)(PDD);式CF2=CFOCF2CF(CF3)OCF2CF2X的产品,其中X为SO2F、CO2H、CH2OH、CH2OCN或CH2OPO3H;式CF2=CFOCF2CF2SO2F的产品;式F(CF2)nCH2OCF=CF2的产品,其中n为1、2、3、4或5;式R1CH2OCF=CF2的产品,其中R1为氢或F(CF2)z且z具有值1、2、3或4;式R3OCF=CH2的产品,其中R3为F(CF2)z且z具有值1、2、3或4;或者全氟丁基乙烯(PFBE);氟化乙烯丙烯(FEP);3,3,3-三氟丙烯;2-三氟甲基-3,3,3-三氟-1-丙烯;2,3,3,3-四氟丙烯或HFO-1234yf;E-1,3,3,3-四氟丙烯或HFO-1234zeE;Z-1,3,3,3-四氟丙烯或HFO-1234zeZ;1,1,2,3-四氟丙烯或HFO-1234yc;1,2,3,3-四氟丙烯或HFO-1234ye;1,1,3,3-四氟丙烯或HFO-1234zc;和氯四氟丙烯或HCFO-1224。
根据一种实施方式,所述共聚物为三元共聚物。
根据另一实施方式,所述粘合剂为携带能够呈现对金属基底的粘附性以及构成电极的材料的良好内聚性的官能团的含氟聚合物。其可为基于VDF的聚合物(含有至少50摩尔%的VDF),其另外地包含携带如下官能团的至少一种的单元:羧酸、羧酸酐、羧酸酯、环氧基(例如缩水甘油基)、酰胺基、醇基、羰基、巯基、硫化物(硫醚)、唑啉基和酚基。所述官能团是根据本领域技术人员公知的技术通过化学反应引入到含氟聚合物上的,所述化学反应可为含氟聚合物与携带所述官能团的至少一种的化合物的接枝或共聚。
根据一种实施方式,羧酸官能团为(甲基)丙烯酸型的亲水性基团,选自丙烯酸、甲基丙烯酸、(甲基)丙烯酸羟乙酯、(甲基)丙烯酸羟丙酯和(甲基)丙烯酸羟乙基己酯。
根据一种实施方式,携带羧酸官能团的单元另外地包括选自如下的杂原子:氧、硫、氮和磷。
当含氟聚合物为官能化的时,确保粘合剂对金属的粘附性的官能团含量为至少0.05摩尔%和优选地至少0.15摩尔%。
电极的金属支撑体通常对于正极由铝制成和对于负极由铜制成。
电极的制备
本发明的另一主题是上述电极复合材料的制备方法,其包括
i)至少制备悬浮液的阶段,所述悬浮液包括(涉及):
-一种或多种式A和/或B的有机盐;
-电子传导添加剂;
-根据本发明的聚合物粘合剂;
-一种或多种挥发性溶剂;
-电极活性材料,选自锂氧化物、磷酸盐、含氟磷酸盐或硅酸盐,和
ii)由(i)中制备的悬浮液起始制备膜的阶段。
可通过借助任何机械装置(例如使用转子-定子或锚式搅拌器)或借助超声的分散和均化而获得悬浮液。
可由以下制备悬浮液:纯态的或以在一种或多种挥发性溶剂中的溶液形式的聚合物;纯态的或以在一种或多种挥发性溶剂中的悬浮液形式的有机盐;电子传导添加剂;以及纯态的活性材料,任选地在50和150℃之间的温度下干燥的阶段之后。
优选地,挥发性溶剂选自有机溶剂或水。作为有机溶剂,可特别地提及有机溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)或二甲亚砜(DMSO)。
可以单一阶段或者以两个或三个相继的阶段制备悬浮液。当以两个相继的阶段制备悬浮液时,一种实施方式在于:在第一阶段中使用机械装置制备含有溶剂、有机盐以及任选地全部或部分的聚合物粘合剂的分散体,然后,在第二阶段中,向该第一分散体添加复合材料的其他组分。随后在第二阶段结束时由悬浮液获得膜。
当以三个相继的阶段制备悬浮液时,一种实施方式在于:在第一阶段中制备在溶剂中含有有机盐和任选地全部或部分的聚合物粘合剂的分散体,然后,在第二阶段中,添加活性材料并除去溶剂,以获得粉末,随后添加溶剂和复合材料的剩余组分,以获得悬浮液。随后在第三阶段结束时由悬浮液获得膜。
式A和/或B的有机盐的溶解可在范围0-150℃、优选地在10和100℃之间的温度下进行。
此外,本发明的主题是引入所述材料的Li离子电池。
实施例1:用于制造根据本发明的正极和正极组合物的方法
使用转子-定子进行搅拌。将0.0197g LiTDI(上式)置于烧瓶中。使用7.08g NMP(N-甲基吡咯烷酮)进行溶解并且将溶液在25℃下搅拌10分钟。添加0.1974g根据本发明的粘合剂(选自下面限定的粘合剂)并且将混合物在50℃下搅拌30分钟。随后添加0.1982gSuper P碳并且将混合物搅拌2小时。最后,添加4.5567g LiMn2O4和2.52g NMP并且将混合物搅拌3小时。随后以具有100μm厚度的膜的形式将悬浮液铺展在铝片上。容许该膜在130℃下干燥5小时。
根据本发明的氟化的粘合剂:
1a-HSV900:PVDF均聚物,由Arkema France出售,具有在232℃和100s-1下的大于4000Pa.s的熔融粘度
2a-HSV500:PVDF均聚物,由Arkema France出售,具有在232℃和100s-1下的3000Pa.s的熔融粘度
3a-LBG:VDF和HFP的共聚物,由Arkema France出售,具有在232℃和100s-1下的3300Pa.s的熔融粘度
4a-7200:PVDF均聚物,由Kureha出售,具有在232℃和100s-1下的大于2700Pa.s的熔融粘度
5a-5130:官能化的PVDF,由Solvay出售,具有在232℃和100s-1下的大于2700Pa.s的熔融粘度
实施例2:用于制造根据本发明的正极和正极组合物的方法
使用转子-定子进行搅拌。将0.0183g LiFSI(上式)置于烧瓶中。使用6.56g NMP(N-甲基吡咯烷酮)进行溶解并且将溶液在25℃下搅拌10分钟。添加0.1831g根据本发明的粘合剂(选自下面限定的粘合剂)并且将混合物在50℃下搅拌30分钟。随后添加0.1838gSuper P碳并且将混合物搅拌2小时。最后,添加4.2257g LiNiMnCoO2(Ni、Mn和Co的比例:1/1/1)和2.34g NMP并且将混合物搅拌3小时。随后以具有100μm厚度的膜的形式将悬浮液铺展在铝片上。容许该膜在130℃下干燥4小时。
根据本发明的氟化的粘合剂:
1a-HSV900:PVDF均聚物,由Arkema France出售,具有在232℃和100s-1下的大于4000Pa.s的熔融粘度
2a-HSV500:PVDF均聚物,由Arkema France出售,具有在232℃和100s-1下的3000Pa.s的熔融粘度
3a-LBG:VDF和HFP的共聚物,由Arkema France出售,具有在232℃和100s-1下的3300Pa.s的熔融粘度
4a-7200:PVDF均聚物,由Kureha出售,具有在232℃和100s-1下的大于2700Pa.s的熔融粘度
5a-5130:官能化的PVDF,由Solvay出售,具有在232℃和100s-1下的大于2700Pa.s的熔融粘度
实施例3:用于制造根据本发明的正极和正极组合物的方法
使用转子-定子进行搅拌。将0.0203g LiTFSI(上式)置于烧瓶中。使用7.30g NMP(N-甲基吡咯烷酮)进行溶解并且将溶液在25℃下搅拌10分钟。添加0.2038g根据本发明的粘合剂(选自下面限定的粘合剂)并且将混合物在50℃下搅拌30分钟。随后添加0.2046gSuper P碳并且将混合物搅拌2小时。最后,添加4.7037g of LiNiMnCoO2(Ni、Mn和Co的比例:5/3/2)和2.60g NMP并且将混合物搅拌3小时。随后以具有100μm厚度的膜的形式将悬浮液铺展在铝片上。容许该膜在130℃下干燥4小时。
根据本发明的氟化的粘合剂:
1a-HSV900:PVDF均聚物,由Arkema France出售,具有在232℃和100s-1下的大于4000Pa.s的熔融粘度
2a-HSV500:PVDF均聚物,由Arkema France出售,具有在232℃和100s-1下的3000Pa.s的熔融粘度
3a-LBG:VDF和HFP的共聚物,由Arkema France出售,具有在232℃和100s-1下的3300Pa.s的熔融粘度
4a-7200:PVDF均聚物,由Kureha出售,具有在232℃和100s-1下的大于2700Pa.s的熔融粘度
5a-5130:官能化的PVDF,由Solvay出售,具有在232℃和100s-1下的大于2700Pa.s的熔融粘度
实施例4:用于制造根据本发明的正极和正极组合物的方法
使用转子-定子进行搅拌。将0.0201g LiFTFSI(上式)置于烧瓶中。使用7.23g NMP(N-甲基吡咯烷酮)进行溶解并且将溶液在25℃下搅拌10分钟。添加0.2016g根据本发明的粘合剂(选自下面限定的粘合剂)并且将混合物在50℃下搅拌30分钟。随后添加0.2025gSuper P碳并且将混合物搅拌2小时。最后,添加4.6547g LiCoO2和2.57g NMP并且将混合物搅拌3小时。随后以具有100μm厚度的膜的形式将悬浮液铺展在铝片上。容许该膜在130℃下干燥4小时。
根据本发明的氟化的粘合剂:
1a-HSV900:PVDF均聚物,由Arkema France出售,具有在232℃和100s-1下的大于4000Pa.s的熔融粘度
2a-HSV500:PVDF均聚物,由Arkema France出售,具有在232℃和100s-1下的3000Pa.s的熔融粘度
3a-LBG:VDF和HFP的共聚物,由Arkema France出售,具有在232℃和100s-1下的3300Pa.s的熔融粘度
4a-7200:PVDF均聚物,由Kureha出售,具有在232℃和100s-1下的大于2700Pa.s的熔融粘度
5a-5130:官能化的PVDF,由Solvay出售,具有在232℃和100s-1下的大于2700Pa.s的熔融粘度
实施例5:用于制造根据本发明的正极和正极组合物的方法
使用转子-定子进行搅拌。将0.0182g LiPDI(上式)置于烧瓶中。使用6.53g NMP(N-甲基吡咯烷酮)进行溶解并且将溶液在25℃下搅拌10分钟。添加0.1821g根据本发明的粘合剂(选自下面限定的粘合剂)并且将混合物在50℃下搅拌30分钟。随后添加0.1829gSuper P碳并且将混合物搅拌2小时。最后,添加4.2045g LiFePO4和2.32g NMP并且将混合物搅拌3小时。随后以具有100μm厚度的膜的形式将悬浮液铺展在铝片上。容许该膜在130℃下干燥4小时。
根据本发明的氟化的粘合剂:
1a-HSV900:PVDF均聚物,由Arkema France出售,具有在232℃和100s-1下的大于4000Pa.s的熔融粘度
2a-HSV500:PVDF均聚物,由Arkema France出售,具有在232℃和100s-1下的3000Pa.s的熔融粘度
3a-LBG:VDF和HFP的共聚物,由Arkema France出售,具有在232℃和100s-1下的3300Pa.s的熔融粘度
4a-7200:PVDF均聚物,由Kureha出售,具有在232℃和100s-1下的大于2700Pa.s的熔融粘度
5a-5130:官能化的PVDF,由Solvay出售,具有在232℃和100s-1下的大于2700Pa.s的熔融粘度
Claims (14)
1.电池电极复合材料、优选地正极材料,其包含:
a)至少一种电子传导添加剂,以范围1-5重量%、优选地1.5-4重量%或1-2.5重量%、优选地1.5-2.2重量%的含量,相对于复合材料的总重量;
b)作为能够可逆地与锂形成插入化合物的电极活性材料的锂氧化物、磷酸盐、含氟磷酸盐或硅酸盐,具有相对于Li/Li+对的高于2V的电化学电势;
c)氟化的聚合物粘合剂;
d)至少一种有机盐,
其特征在于所述有机盐呈现式A和/或式B,
其中式A中的-Xi-独立地表示以下基团或原子:–N=、-N--、-C(R)=、-C-(R)-、-O-、-S(=O)(R)=或-S(R)=且R表示来自以下的基团:F、CN、NO2、S-CN、N=C=S、-OCnHmFp、-CnHmFp,其中n、m、p为整数;式B中的Rf表示F、CF3、CHF2、CH2F、C2HF4、C2H2F4、C2H3F2、C2F5、C3F6、C3H2F5、C3H4F3、C4F9、C4H2F7、C4H4F5、C5F11、C3F5OCF3、C2F4OCF3、C2H2F2OCF3或CF2OCF3并且Z表示选自F、CN、SO2Rf、CO2Rf或CORf的吸电子基团,并且M+表示锂、钠、季铵或咪唑阳离子,
且所述粘合剂为高分子量的和/或其携带能够呈现对金属基底的粘附性的官能团的含氟聚合物。
2.如权利要求1所述的材料,其特征在于式A的化合物是咪唑盐、优选地咪唑锂。
3.如权利要求1和2任一项所述的材料,其特征在于有机盐占0.01-10重量%且优选地0.05-5重量%,相对于材料的总重量。
4.如权利要求1-3任一项所述的材料,其特征在于所述粘合剂为高分子量的含氟聚合物、优选地非常高分子量的含氟聚合物,选自偏二氟乙烯和氯三氟乙烯共聚物、以及聚(偏二氟乙烯)。
5.如权利要求1-4之一所述的材料,其特征在于所述粘合剂为聚(偏二氟乙烯)或PVDF,其具有大于或等于2000Pa.s的熔融粘度,如根据标准ASTM D3825在100s-1的剪切下在232℃下测量的。
6.如权利要求1-3之一所述的材料,其中所述粘合剂为携带如下官能团的至少一种的PVDF:羧酸、羧酸酐、羧酸酯、环氧基(例如缩水甘油基)、酰胺基、醇基、羰基、巯基、硫化物、唑啉基和酚基。
7.如权利要求6所述的材料,其中羧酸官能团选自:丙烯酸、甲基丙烯酸、(甲基)丙烯酸羟乙酯、(甲基)丙烯酸羟丙酯和(甲基)丙烯酸羟乙基己酯。
8.如权利要求5-7之一所述的材料,其中PVDF对应于偏二氟乙烯(VDF)均聚物;或者VDF和至少一种其它共聚单体的共聚物,其中VDF占至少50摩尔%,所述共聚单体选自:氟乙烯;三氟乙烯;氯三氟乙烯(CTFE);1,2-二氟乙烯;四氟乙烯(TFE);六氟丙烯(HFP);全氟(烷基乙烯基)醚如全氟(甲基乙烯基)醚(PMVE)、全氟(乙基乙烯基)醚(PEVE)或全氟(丙基乙烯基)醚(PPVE);全氟(1,3-二氧杂环戊烯);全氟(2,2-二甲基-1,3-二氧杂环戊烯)(PDD);式CF2=CFOCF2CF(CF3)OCF2CF2X的产品,其中X为SO2F、CO2H、CH2OH、CH2OCN或CH2OPO3H;式CF2=CFOCF2CF2SO2F的产品;式F(CF2)nCH2OCF=CF2的产品,其中n为1、2、3、4或5;式R1CH2OCF=CF2的产品,其中R1为氢或F(CF2)z且z具有值1、2、3或4;式R3OCF=CH2的产品,其中R3为F(CF2)z且z具有值1、2、3或4;或者全氟丁基乙烯(PFBE);氟化乙烯丙烯(FEP);3,3,3-三氟丙烯;2-三氟甲基-3,3,3-三氟-1-丙烯;2,3,3,3-四氟丙烯或HFO-1234yf;E-1,3,3,3-四氟丙烯或HFO-1234zeE;Z-1,3,3,3-四氟丙烯或HFO-1234zeZ;1,1,2,3-四氟丙烯或HFO-1234yc;1,2,3,3-四氟丙烯或HFO-1234ye;1,1,3,3-四氟丙烯或HFO-1234zc;和氯四氟丙烯或HCFO-1224。
9.如前述权利要求任一项所述的材料,其特征在于电子传导添加剂选自碳的不同的同素异形体形式或导电有机聚合物。
10.用于制备如权利要求1-9任一项所述的材料的方法,其特征在于所述方法包括:
(i)至少制备悬浮液的阶段,所述悬浮液包括:
-一种或多种式A和/或B的有机盐;
-电子传导添加剂;
-如权利要求4-8之一中所述的聚合物粘合剂;
-一种或多种挥发性溶剂;
-电极活性材料,选自锂氧化物、磷酸盐、含氟磷酸盐或硅酸盐,和
ii)由(i)中制备的悬浮液起始制备膜的阶段。
11.如权利要求10所述的方法,其特征在于挥发性溶剂选自有机溶剂和水。
12.如权利要求11所述的方法,其特征在于有机溶剂选自N-甲基吡咯烷酮或二甲亚砜。
13.Li离子电池,其包括如权利要求1-9任一项所述的材料。
14.至少一种式A和/或B的盐在电极复合材料的制造中作为离子传导添加剂的用途。
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